某区域生态水文情势变化研究

2023-07-29富隋小庆蒋超华

水利科技与经济 2023年7期

富隋小庆,蒋超华

(1.山东省物化探勘查院,济南 250013;2.山东省地质勘查工程技术研究中心,济南 250013)

1 概述

水资源直接关系到人们的生产生活及生态安全,随着水域水利工程不断的开发与应用,水域生态水文情势发生了较大的改变,进而改变了水域水资源的流量及水资源生态系统平衡。

针对水利工程的建造对生态水文情势的影响,国内外专家学者开展了相关研究。关于水文情势的研究,始于Richter［1］在1997年提出的水文评价指标法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA),进而建立了一套较为完整的水资源生态管理系统。Galat［2］基于IHA理论,对密苏里河生态水文情势进行了分析。陈启慧等［3］基于IHA理论,分析了葛洲坝建设对长江生态水文情势的影响。基于1997年提出的IHA理论,Richter［4］又建立了水文变化范围方法(Range of Variability Approach,RVA),在此之后,基于IHA-RVA结合理论不断应用于生态水文评价。李舒等［5］分析了水土保持水利工程建设、矿产资源开发对窟野河生态水文情势的影响。Mwedzi等［6］对Manyame河流流域在坝体建造后的水文情势变化进行评价。胡娜等［7］基于龙川水文站监测数据,分析了东江流域在枫树坝建造前后水文情势变化。胡晓张等［8］以人工采砂为研究背景,分析了东江中下游河流的水文情势变化。

综合上述文献研究成果,本文基于IHA-RVA理论,对某区域生态水文情势指标在水库修建前后的变化进行分析。

2 工程概况

本文所研究的某水域地处低山及丘陵地区,气候区划分为亚热带丘陵区湿润季风气候。受气候条件影响,该地区降雨较多,年平均降雨量1 600mm,水域流域面积3 523.00km2,且年降雨受季节影响较大,汛期为4-9月份,一年中降雨极值与均值的比值为2.4。该水域主要包括两条主要水系,即A水系和B水系,且分别配备有A水文站及B水文站,分别建造有A水库及B水库。A水库建于1997年,水库容量2.51×106m3,泄洪流量209.7m3/s ;B水库建于2005年,水库容量4.40×105m3,泄洪流量3 990m3/s。

3 研究方法

研究数据采用A水文站及B水文站在1980-2020年间的逐日平均流量实测数据,进而探究两个水库建造前后水温情势的变化情况。采用的研究方法为基于水文改变指标法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)的变化范围方法(Range of Variability Approach,RVA),使用IHA- RVA方法对A水库及B水库建造前后的水文情势变化情况进行评价;对于该水域的整体水文情势变化情况,采用IHA评价方法进行评价。

依据现场及文献［9］的研究成果,RVA的阈值取值为:指标平均值法、以75%及25%作为目标边界法。采用阈值法评价水文情势变化的方法为:若水文变异后的流量值处于阈值范围之外,表明生态水文情势受水文变化的影响较大,易造成不良的后果;若水文变异后的流量值部分处于阈值范围内,表明生态水文情势受水文变化的基本无影响,水域自然流量保持较好的发展水平。

水文改变指标评价的分析方法主要有单个指标改变度、综合指标改变度两种计算方法［10］。

4 结果分析

4.1 研究时间分段

基于A水库及B水库的建造时间,将A水文站及B水文站监测得到的逐日平均流量实测数据划分为两个时间段:对于水文改变前的水流流量研究,分别选取1980-1997、1980-2005年的逐日平均流量时序数据作为研究对象;对于水文改变后的水流流量研究,分别选取1998-2020、2006-2020年的逐日平均流量时序数据作为研究对象,使用IHA-RVA方法进行分析,分别取75%及25%作为研究阈值限值。

4.2 水文改变度分析

4.2.1 月均值流量变化

图1为水文变化前后月均径流量、降雨量差值在不同月份的变化情况。在4-9月份的汛期,A水文站及B水文站月均径流量是一年中最大的月份,采用水文改变指标计算得到的水文改变度分别为44.9%和43.8%。改变度D值的划分依据为:当D∈［0,33%)时,水文改变度为低度改变;当D∈［33%,67%)时,水文改变度为中度改变;当D∈［67%,100%)时,水文改变度为高度改变。因此,4-9月份A水文站及B水文站为中度改变。

图1 水文改变前后径流量及降雨量差值

A水系一年中水域流量变化为:3-6月份流量不断减少、11月至次年2月份流量不断增加,其中5月份流量减少最多、次年1月份增加最多。A水系水文改变发生在1997年,水文改变后,流量减少月份主要集中在3-6月份,减少量为2～9.7m3,其它月份呈现不同程度增加,但增加量较少。在2-4月份降雨量相较于水文改变前减少50mm左右,这一变化直接引起A水系的流量变化,且两者出现的时间呈现有明显的滞后性。对比A水系的降雨量可以发现,春季的降雨量减少,水电站蓄水量增加,进而导致5月份水域流量明显减少。

对于B水文站,一年中水域流量变化为:3、4、10月份流量不断减少,其余月份有所增加。B水系水文改变发生在2005年,水文改变后,流量增加月份主要集中在5-8月份,减少量为3.5～7.5m3;在5-7月份,降雨量相较于水文改变前增加40mm左右。

A水系与B水系在水域流量及降雨量方面存在差别。基于春季降雨量减少的前提下,A水系流量明显减少,B水系流量在3-4月份一定程度上减少、5月份明显增加。两水系流量出现这种变化的原因主要为:水电站调节管控能力、水系流域特性,表明相较于A水库的蓄水能力,B水库蓄水能力明显较差。

4.2.2 年极值流量变化

图2为两水文站在1980-2020年的最小日流量及最大日流量随时间变化图。对比水文变化前后可以发现,变化后的两水电站流量降低明显,流量阈值差值减小,表明水库的修建对水文条件的改善效果显著。由图2(a)和图2(c)可知,A水文站在水文改变前后,一日内最小流量有所增加,一日内最大流量有所减少,其中部分月份的日流量超出阈值界限,且相较于水文改变前,阈值差值减小。表明水文改变后,低流量水平有所增加,高流量水平有所降低,水文条件大为改善,保证了该水系生态水文的稳定性。由图2(b)和图2(d)可知,对于B水文站,一日内最小流量变化较小,一日内最大流量有所减少,阈值的差值减小。表明水文改变后,低流量水平保持稳定,高流量水平有所降低,对生态水文情势起到了一定的改善作用。

图2 极值流量变化

4.2.3 年极端流量发生时间

表1为两水文站最大、最小流量在水文改变前后出现的时间。由表1可知,A水库最大、最小流量在水文改变后出现的时间均有所提前,最大、最小流量出现的时间均提前半个月左右,阈值改变度为4.35%,属于低度改变。B水库最小流量在水文改变后出现的时间有所提前,而最大流量在水文改变后出现的时间有所延迟,但变化幅度较小,表明水文变化对极端流量发生时间的影响较小,但流量阈值改变度较大,属于高度改变,这一变化有可能引起生态水文情势的失衡。

表1 两水文站最大、最小流量在水文改变前后出现的时间

4.2.4 高低流量脉冲时频特征分析

图3为两水文站在1980-2020年的高、低脉冲频次随时间变化图。由图3可知,该水域脉冲受上游水电站的影响较小,A水文站低脉冲改变度为中度,B水文站高低脉冲改变度为低度,且A、B水文站水文改变后高低脉冲次数均呈现不同程度增多、变化幅度增大。张文浩等［11］等研究表明,低脉冲次数增多、变化幅度增大会引起该水域在旱季水流量减小。B水文站脉冲值超过RVA的上限,张文浩等研究显示,高脉冲次数增多会增大汛期洪涝灾害的发生。对于高低脉冲的持续时间,当低脉冲持续时间逐渐缩短时,会促进区域水文情势的稳定;当高脉冲持续时间逐渐缩短时,反而会引起区域水文情势不确定性灾害的发生。

图3 高低脉冲次数变化

4.2.5 流量改变率及频率

图4为该区域A、B水文站流量逆转频次随时间的变化图。由图4可以看出,对于A水文站的流量,涨水率呈现下降的趋势、退水率呈现上升的趋势、水文改变度D为56.4%,该水域流量总体变化为逐渐减小;对于B水文站的流量,涨水率、退水率均呈现为上升的趋势、水文改变度D为21.2%,该水域流量总体变化为逐渐减小。流量频次的变化会造成该水域生态系统的变化,尤其是流量逆转频次的变化对生态环境的影响巨大,会直接引起水生生物生存环境的恶化。

4.2.6 整体水文改变度

整体水文改变度可以有效反映水文变化对生态水文情势的影响,对A、B水文站的32项水文指标进行分析得到统计图,见图5。由图5及RVA目标分级可以看出,对于A水文站的32项指标水文改变度,其中前三项指标均达到100%,有18.7%的指标改变度为D∈［33%,100%),为高度改变;有40.5%的指标改变度为D∈［33%,67%),为中度改变;有46.9%的指标改变度为D∈［0,33%),为低度改变,整体上A水文站在水文改变前后出现较大变化。对于B水文站的32项指标水文改变度,有9.37%的指标改变度为D∈［33%,100%),为高度改变;有28.2%的指标改变度为D∈［33%,67%),为中度改变;有62.4%的指标改变度为D∈［0,33%),为低度改变,整体上B水文站在水文改变前后变化较小。该水域整体水文改变度为50.2%,为中度改变。